農田節水灌溉計量控制系統的研究

方 正， 徐曉輝， 蘇彥莽， 宋 濤， 鄧一凡， 王利偉

(河北工業大學電子信息工程學院，天津 300401)

我國是世界上極為缺水的國家之一，農業灌溉用水占總用水量的比例較大，但灌溉用水的有效利用率僅為發達國家的50%左右[1-5]，因此，提高農業用水效率、發展節水灌溉技術、合理配置水資源符合我國的國情，具有重要的戰略地位和作用。目前，農田灌溉系統正逐步向適時適量、水肥一體[6]、精確計量[7-8]、自動控制的方向發展，而現階段農業灌溉計費方式相對落后，缺少對灌溉水量的精確計量及水資源的統一管理和控制。因此，本研究設計研制一套農田節水灌溉計量控制系統，射頻IC卡(integrated circuit card，簡稱IC卡，別稱集成電路卡)在系統中作為用戶身份的名片，系統識別用戶身份后，記錄本次灌溉過程中所用的水量和電量，灌溉控制器能夠以手動和自動2種方式實現水肥一體的灌溉。1個用水周期結束后，管理系統核算用戶的總用水量，根據定額內外不同水價的原則，超出定額的部分加價補交水費，節約的水量則予以獎勵。該系統的推廣將水費征收方式由原來的按用電量收取改為按用水量收取，使農戶的繳費更直接明了，以經濟為杠桿提高農民的節水意識，減少水資源的無序開采和浪費，實現了水資源的可持續開發利用。

1 系統組成

如圖1所示，農田節水灌溉計量控制系統主要由灌溉控制器、射頻IC卡及用戶信息管理設備3個部分組成。灌溉控制器通過計量模塊對用戶的用水量和用電量進行準確計量；射頻IC卡能夠在控制器和用戶之間傳遞數據信息；用戶信息管理設備為射頻IC卡充值，管理用戶水電等信息。用戶在控制器上刷卡，完成用戶身份的識別，灌溉控制器可以通過手動和自動2種方式進行水肥灌溉，系統自動計量用水量和用電量，完成余額的消減，最后由IC卡讀寫模塊余額寫到射頻IC卡中，完成灌溉過程。

2 系統原理

每個用戶持射頻IC卡在系統管理員處開卡沖入額定的水量和電量，該卡能夠在多個機井的灌溉控制器上使用，實現了1張射頻IC卡能夠在多處機井中使用，1處機井能夠容納多個用戶使用的功能。此外，當用戶正在刷卡灌溉時，該卡就不能在其他機井處使用。只有當用戶在該機井使用完畢，并把相應的用水量、用電量數據信息寫入用戶射頻IC卡后，該用戶才可以在其他機井處使用。

用戶刷卡完成身份識別，卡內的剩余水量和電量會分別顯示出來，當卡內的用水量或用電量小于設定值時自動停止灌溉。該節水灌溉系統的灌溉方式主要分為手動模式和自動模式，操作模式的切換通過灌溉控制器上的旋轉開關來實現。當旋轉開關的檔位位于手動時，用戶可通過控制器上的船型開關，根據灌溉過程中的實際情況，隨時開啟、關閉灌溉系統的灌溉泵、肥料泵、攪拌泵。灌溉過程中，系統會自動顯示、計量所用水量和電量，灌溉結束后水量和電量會被自動扣除，系統會自動把余額寫入用戶的射頻IC卡中。當旋轉開關的檔位位于自動時，用戶可以點擊觸摸屏上的設定按鈕進入灌溉時間的設置界面。通過調節增減按鈕可以分別設置灌溉泵、肥料泵、攪拌泵的各自運行時間，設置完成按啟動按鈕即可進行農田灌溉施肥。灌溉過程中觸摸屏會實時顯示剩余的灌溉時間和所用水量、電量及各個機泵的工作狀態，點擊灌溉控制界面的暫停或停止按鈕可以實時終止灌溉，灌溉結束后水量和電量會被自動扣除，系統會自動把余額寫入用戶的射頻IC卡中。

系統設定了階梯水價，實行定額限制、超量加價、節約有獎的原則。系統依據每個用水戶的用水定額，系統自動算出用戶的平價水量、高價水量，1個用水周期結束后，用水戶到系統管理員處進行用水量的核定和余額結算，超出限額的部分依據階梯水價補交費用，節約部分則予以經濟獎勵，沒有用完的水量可以轉到下一個用水周期或者直接退還現金，保證農戶用水公平合理。

為防止系統在非正常情況下關閉導致卡內信息丟失，用戶第1次刷卡后和灌溉過程中用戶的卡內信息和實時用水用電信息會備份在內存中。若系統正常關閉，則更新卡內信息并自動刪除備份記錄。若系統因斷電而沒有正常結束，則當下一個用戶進行灌溉時，系統將首先比較數據存儲器緩存區信息中的卡號信息與當前用戶的卡號信息，如有匹配項將對用戶卡內的信息進行更新。

3 硬件設計

系統硬件電路主要由單片機、外部存儲器、人機交互模塊、射頻IC卡讀寫模塊、機泵控制模塊、計量模塊、串口通信電路等組成。

3.1 單片機與外部存儲器

選用STC15W4K60S4為主控芯片，它是宏晶科技生產的寬電壓、高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統的8051，但速度是它的8～12倍。該系統具備數據采集、信息顯示和通信等功能，同時還可以為掉電處理數據提供保存單元，用于保存隨機存取存儲器RAM中的重要數據，如用水量、用水時間及用電量等內容，方便在通電之后可以正確取回。該系統選用AT24C64作為數據存儲器，AT24C64是支持I2C協議的EEPROM存儲器，存儲容量為64 kB。雙向串行時鐘線SCL、雙向串行數據線SDA與單片機串行連接完成數據存儲。

3.2 人機交互模塊設計

選用迪文科技的DGUS屏來實現人機交互，它不是通過時序或指令控制顯示，而是采用直接變量驅動顯示的方式，所有的顯示和操作主要基于計算機軟件輔助設計的觸控配置文件(13 .bin)和變量配置文件(14 .bin)來工作的。使用DGUS屏進行開發，可以快速開發全圖形觸摸屏人機界面，同時省去了鍵盤電路的設計。DGUS屏須要12 V的直流供電電壓，通過連接單片機的RS232或RS485串口完成通信。迪文DGUS屏采用異步、全雙工串口，串口模式為8n1，即每個數據傳送采用10個位，包括1個起始位、8個數據位、1個停止位。

3.3 射頻IC卡讀寫模塊

射頻IC卡選用Philips公司的Mifare1 S50，其工作頻率為13.56 MHz，通信速度為106 Kbit/s，采用EEPROM作為存儲介質。以YW-201作為其讀寫模塊，該模塊內嵌MF RC500射頻基站，同時支持I2C、UART 2種通訊協議。射頻天線則使用與MF RC500射頻基站相匹配的YW-300模塊，完成射頻IC卡讀寫過程。YW-300的天線發射引腳TX1、引腳TX2、接收引腳RX分別與YW-201的TX1、TX2、RX引腳相連；YW-201的發送引腳TXD、接收引腳RXD分別與單片機的TX2、RX2引腳相連，與單片機通信。YW-201射頻讀寫模塊支持自動尋卡，單片機不用頻繁發送尋卡指令。

3.4 機泵控制模塊與計量模塊

使用交流固態繼電器隔離單片機電路與機泵電路，在交流固態繼電器的輸出端并聯壓敏電阻與吸收電路，以吸收瞬變尖峰電壓起過壓保護作用，在電源相線上串接熔斷器起過流保護作用。開始灌溉施肥時，單片機輸出高電平，繼電器接通，機泵灌溉施肥；灌溉結束或余額不足時，單片機輸出低電平，繼電器斷開，機泵停止工作。

以光電耦合器隔離電路的方式連接單片機和脈沖水表，當脈沖水表輸出高電平時，使光電耦合器中的發光二極管截止，光電耦合器內部光電三極管不導通，沒有信號輸出；當脈沖水表輸出低電平時，光電耦合器中的發光二極管和光電三極管均導通，從而單片機開始計數。

采用ATT7022作為三相電能的計量芯片，該芯片具有功耗低、精度高、輸入工作動態范圍大、非線性測量誤差小的特點，可測量各相電壓的有效值、電流有效值、功率因數等。它通過SPI接口與外部單片機通信，芯片的片選CS、串行時鐘SCLK、數據輸入DIN、數據輸出DOUT分別連接單片機的同步串行接口SPI的片選信號、串行時鐘輸入、串行數據輸入、串行數據輸出。此外，為了消除SPI接口的信號振蕩，可以在連接線上串接1個10 Ω的電阻和1個10 pF的電容，實現低通濾波的作用。

3.5 串口通信電路

系統的串口通信選用RS485協議。RS485協議采用半雙工工作方式，不但繼承了RS232、RS422協議的優點，而且摒棄了其他協議的不足。選用MAX1487作為RS485電平信號的收發器，完成輸入、輸出信號之間的轉換。MAX1487芯片的內部有1個驅動器和1個接收器，其中引腳RO為接收器的輸出端，引腳DI為驅動器的輸入端。在進行電路設計時與單片機的接收數據引腳RXD和發送數據引腳TXD相連即可。

4 系統軟件設計

4.1 上位機軟件設計

農田節水灌溉計量控制系統上位機軟件采用支持Windows XP操作系統的Power-designer軟件來開發，該軟件是Sybase公司的計算機輔助軟件工程工具集，使用它可以方便地設計信息管理系統，制作各種概念數據模型、物理數據模型，并且能夠生成多種客戶端開發工具。上位機軟件主要是對用戶購水、購電信息進行管理維護，上位機軟件流程如圖2所示。

4.2 下位機軟件設計

4.2.1 基于DWIN_OS平臺實現定時功能 DWIN_OS平臺采用類似匯編程序的編寫規范，允許的最大代碼空間是256 kB，在該平臺上編寫的控制程序(23 .bin)可以直接在迪文科技的DGUS屏上運行。DWIN_OS程序在每個運行周期(80、120、160、200 ms)均運行1次，DGUS屏的刷新時間和DWIN_OS的運行時間構成整個運行周期，而且OS程序不能出現長的延時循環等待或死循環。該程序根據DGUS屏自身200 ms周期作為定時基準實現倒計時功能，只要時間設置不為0，同時按下啟動按鍵，則倒計時開始計時，按下暫停鍵則倒計時暫停計時功能，同時保持當前的時間值，再按下啟動則繼續進行倒計時，倒計時完成后通過發送命令到串口實現定時工作功能。DWIN_OS程序的流程如圖3所示。

4.2.2 灌溉控制器主程序 灌溉控制器軟件的功能包括控制器主程序的初始化、檢測核實用戶身份、讀取卡中數據、計量用水量和用電量、更新用戶卡內數據信息、顯示用戶水量和電量余額、啟閉機泵。灌溉控制器主程序的流程如圖4所示。

5 結論與討論

本研究的農田節水灌溉計量控制系統的設計結合了射頻IC卡技術、單片機自動控制技術和數據庫技術。與傳統灌溉設備相比，該系統實現了多用戶的信息管理、階梯式的計費模式、水電量的精確計量、灌溉施肥的自動控制和觸摸式的人機交互等功能。該系統的使用大幅度提高了農田灌溉系統的自動化程度和農田用水的管理水平，而且系統操作方式簡單，農戶易于掌握，學習成本較低，有助于幫助農戶建立計劃用水和節約用水的意識。在試驗田中的初步測試結果表明，該設備易于推廣、管理靈活、安全可靠、達到了設計的基本要求。

[1]王永喜，胡 玫，劉映杰. 基于射頻IC卡的節水灌溉控制系統[J]. 蘭州工業高等專科學校學報，2011，18(3)：18-20.

[2]王福卿，高明山，金江波. 井灌類型區節水灌溉監控設施-IC卡機井取水控制器[J]. 南水北調與水利科技，2006，4(5)：62-64.

[3]劉春來，楊萬龍，王劍波. 機井灌溉計量收費管理與控制系統研制[J]. 節水灌溉，2009(6)：55-57.

[4]張靖華，唐偉強. 智能IC卡和GSM網絡在節水灌溉中的應用[J]. 電氣應用，2008，27(8)：51-54.

[5]劉永華，俞衛東，沈明霞，等. 智能化精準灌溉施肥技術研究現狀與展望[J]. 江蘇農業科學，2014，42(8)：384-387.

[6]張 瓊. 基于嵌入式的灌溉施肥系統的研究[D]. 合肥：中國科學技術大學，2009.

[7]田宏武，申長軍，鄭文剛. 農用灌溉機井水電雙重計量系統設計[J]. 節水灌溉，2013(1)：44-47.

[8]丁克奎，鐘凱文. 基于“3S”的精準農業管理系統設計與實現[J]. 江蘇農業科學，2015，43(1)：399-401.